奥氏体不锈钢压力容器的塑性载荷及安全裕度研究

陈思宇，赵荣

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1）

奥氏体不锈钢压力容器的塑性载荷及安全裕度研究

陈思宇，赵荣

（新疆维吾尔自治区特种设备检验研究院，新疆 乌鲁木齐 8 3 0 0 1 1）

社会经济在快速发展过程中，所能够应用的能源数量正在快速下降，在这种情况下压力容器轻型化设计就成为主要研究内容。压力容器轻型化设计过程中的必然途径就是压力容器的分析设计与应变强化设计。伴随着有限元非线性技术及塑形力学越加完善，压力容器在弹塑形方面取得了十分显著的成果。奥氏体不锈钢压力容器在国外已经研究多年，我国在这方面研究时间较短。在对压力容器弹塑性分析及应变强化设计过程中，需要将压力容器材料所具有的强化效应及变形情况考虑在内，同时这种设计方法也是现阶段世界范围内最为先进的技术，应用前景十分广阔。

弹塑性分析；奥氏体不锈钢应变强华；载荷-变形；塑形失稳压力；安全裕度

伴随着科学技术与社会经济快速发展，压力容器开始在众多领域内应用，并且取得了十分显著的成果，核电、石油天然气等等领域对于压力容器设备需求数量在稳定增加，但是大型压力容器在制造过程中对于金属材料需求数量较高，还需要在特殊条件下提高压力容器的安全性能，制造成本较为高昂。在低温状态下应用最为广泛的压力容器就是奥氏体不锈钢压力容器，但是由于奥氏体不锈钢材料自身所拥有的抗屈强度较低，要是按照现有标准对其进行设计，就会造成奥氏体不锈钢材料压力容器内壁较厚，材料所具有的承载性能无法充分发挥出来，同时制造成本较为高昂，向轻型化建设就成为解决奥氏体不锈钢压力容器问题的主要途径。

1 奥氏体不锈钢压力容器载荷变形与塑形失稳压力

1.1 有限元及解析式的载荷-变形比较

奥氏体不锈钢压力容器所具有的载荷-变形解析式和塑形失稳压力解析式，都是在平面等比加载基础上面所构建起来的，本文就以有限元模型作为基础，选择压力容器与实际情况最为吻合的圆筒及球壳中间位置，在分析提取过程中，就要在有限元圆筒及球壳模型上面提出。流程为：通过有限元对于圆筒及球壳上面所具有的数据信息输入到电子文档内，并且将载荷-应变数据的1%提取出来，这个数值就是塑形失稳下的数据。将这些数据都纪录之后，就能够在材料应力曲线内找到不同应力点所对应的数值，进而在将数据带入到有关公式内，这样也就形成了载荷分析式，有限元计算出来的载荷数值与解析式载荷数值之间就能够进行分析对比。

（1）长径比不同对圆筒变形的影响

圆筒在不同L/D数值的情况下，有限元所计算出来的载荷与解析式计算出来的载荷之间存在一定差异。要是L/D≤4的时候，有限元所计算出来的载荷数值要大于解析式所计算出来的载荷数值，在这种情况下，有限元曲线就应该在解析式曲线的上面，伴随着L/D数值在不断提高的过程中，有限元计算出来的载荷数值与解析式计算出来的数值之间越加相同，误差数值也就越小；要是L/D≥4的时候，解析式所计算出来的载荷与有限元计算出来的载荷数值基本相同，二者之间的变形曲线也较为贴近，这样也就表示出现误差的可能性较低，拥有较高的精确性。根据这种情况表示，要是应用解析式对圆筒载荷-变形关系计算过程中，圆筒的L/D长径最好大于4。

（2）不同K值对圆筒载荷表型关系的影响

圆筒主体应变在不断提高过程中，有限元所计算出来的载荷与解析式所结算出来的载荷所具有的误差在不断增加。K值要是不同，有限元所计算出来的载荷-变形曲线形状与解析式所计算出来的载荷-变形曲线具有较高的吻合性，并且伴随着K值不断减小，两条曲线之间的吻合性能也就越高，在不同应变点上面所具有的有限元与解析式的数值基本相同，要是应变在0.0 1的时候，二者之间的差异会逐渐增加，但是差异并不显著，这样就表示解析式在对于载荷-变形计算过程中，出现误差的可能性较低。应变在相同的情况下，K值在不断增大的情况下，误差也会逐渐增加，但是误差还是较小。在对于圆筒载荷-变形管理分析中，最好应用解析式进行计算，拥有较高的精确性，出现误差可能性较低，圆筒内壁要是越薄，计算结果精确性也就越高。

1.2 圆筒长径比对圆筒内压塑形失稳压力的影响

圆筒长径比数值在不断提高过程中，有限元模型内的塑形失稳压力会不断减小，要是L/D=1的情况下，有限元模型所计算出来的塑形失稳压力数值要远远大于解析式所计算出来的塑形失稳压力数值；在L/D=2的情况下，有限元与解析式计算出来的塑形失稳压力数值基本相同；要是L/D≥5的时候，圆筒塑形失稳压力处于最小数值状态之下，在这种情况下圆筒长径数值即便是在提高，对于圆筒塑形失稳压力也不会进行各种影响。

2 奥氏体不锈钢压力容器的安全裕度

最能够客观反应出压力容器承载水平的就是压力容器所具有的爆破压力，安全裕度就是爆破压力与设计压力之间的比值，压力容器所具有的安全裕度能够充分反应映出压力容器最大所能够承受的承载水平。在对于奥氏体不锈钢压力容器安全裕度分析研究过程中，可以使用弹塑性有限元分析方法，但是想要对于压力容器安全裕度进行了解，就需要对于压力容器进行一次非线性数值的分析研究，进而计算出压力容器在不同应力变化之下所能够承受的载荷及塑形失稳压力数值。

2.1 不同L/D对圆筒安全裕度的影响

L/D=1的时候，解析式所计算出来的安全裕度要远远大于有限元所计算出来的安全裕度，这种情况属于一种特殊情况。伴随着应变数值不断增加的情况下，有限元所计算出来的安全裕度与解析式所计算出来的安全裕度之间的误差会逐渐减小，解析式所计算出来的安全裕度在大于有限元所计算出来的安全裕度之后，二者之间的差距也会显著提高，同时误差也会由开始的负值转变为正值。L/D＞1的时候，应变数值要是相同，L/D数值在不断增加过程中，解析式所计算出来的安全裕度会逐渐超过有限元所计算出来的安全裕度，二者之间的差值也会逐渐增加；L/D=4的时候，二者之间的误差数值在1 5%，要是L/D数值在5到7之间的时候，解析式与有限元所计算出来的安全裕度误差值基本上都保持在2 0%左右。L/D数值要是相同，除了L/D=1的时候，应变数值在不断增加的时候，解析式所计算出来的安全裕度与有限元所计算出来的安全裕度误差会逐渐增加，L/D在等于2和3的时候，二者之间的误差最为明显。进而就可以发现，要是使用解析式对于圆筒安全裕度进行计算，在L/D=2或者3的时候，计算结果最为精准，解析式与有限元所计算出来的安全裕度之间的误差不会超过1 5%。筒体内部压力在不断提高的时候，有限元所计算出来的安全裕度也会逐渐下降，L/D在≥5的时候，安全裕度数值将不会发生任何改变，解析式所计算出来的安全裕度也会不会随着筒体的变化而发生改变。

2.2 不同K值对圆筒安全裕度的影响

K值与应变不管是在何种状态之下，解析式所计算出来的安全裕度都要远远超过有限元所计算出来的安全裕度，正常情况下二者之间的误差值主要在0.2左右。K值在相同的情况下，应变要是调整1%的时候，有限元所计算出来的安全裕度数值不会超过1.5，解析式所计算出来的安全裕度数值不会超过1.7；要是应变数值变为3%的时候，有限元所计算出来的安全裕度数值不会超过1.2 5，解析式所计算出来的数值不会超过1.4 5；要是应变数值变为5%的时候，有限元所计算出来的安全裕度数值不会超过1.2，解析式所计算出来的安全裕度数值不会超过1.4。这些数值都能够表示奥氏体不锈钢材料自身具有良好的塑性性能，能够在压力容器圆筒上面所应用，在出现塑性变形之后，压力容器所具有的安全裕度并不会显著提高，压力容器所具有的这个特点需要特别关注。

3 结语

在对于压力容器塑弾性分析设计过程中，虽然是将国家有关标准考虑在内，但是由于压力容器所具有的设计理念十分先进，进而其拥有良好的发展前景，这样对于压力容器的设计及制造一定会造成较大的影响。我国在应变强技术上面的研究时间较短，但是由于其设计及制造流程较为简单，已经在众多领域内应用。应变强技术在实际应用过程中，能够有效降低压力容器在材料上面的经济成本，实现节能减排。

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